SCADA系统通信网（精选11篇）
SCADA系统通信网 篇1
1 引言
在早期的SCADA系统中,由于控制规模以及网络技术应用的局限,多采用集中式的处理方式,即将所有的功能集中在一个节点上(数据采集、数据处理和数据展示),我们称之为单机模式。这种模式结构比较简单,且维护方便。但由于单机模式的节点中包含了所有的功能,其内部功能模块之间彼此依赖性过强,某个模块出现问题时,极易造成整个系统的崩溃;再者,我们只能在一台机器节点上监视现场数据和控制现场设备,其局限性是显而易见的。随着工业现场控制规模的扩大和网络技术的发展,单机模式的SCADA系统已经很难适应需求,而分布式SCA-DA系统的应用成为必然。在分布式SCADA系统中,通信模块的作用是至关重要的[1]。本文将讨论分布式SCADA系统中的通信模块的设计思路及其实现。
2 分布式SCADA设计
2.1 早期SCADA系统概述
早期SCADA系统在一个节点上集中了所有的功能,可简单归结为几个主要功能模块:数据采集模块、数据处理模块、数据展示模块。
数据采集模块与数据处理模块:负责采集I/O设备的数据,并进行相应处理(包括数据计算、历史存储、报警、数据发布等),同时响应数据展示模块的数据请求(如实时数据、历史趋势、下行命令等)。
数据展示模块:负责现场数据的展示(文本、图形、趋势等),同时也下发命令给数据处理模块。
如图1所示,这两部分运行于一个机器节点上,两者之间采用了异步消息机制进行通信。
单机模式的消息分组格式如表1所示。
2.2 分布式SCADA的目标和实现原则
2.2.1 实现目标
将单机模式SCADA扩展为分布式SCADA过程中,我们设定必须实现以下目标。
(1)一个服务器可接受多个客户端的访问。
(2)一个客户端可访问多个服务器。
2.2.2 实现原则
原有单机模式的SCADA系统经过了长时间的运行考验,证明各功能模块的运行是可靠和稳定的。在扩展为分布式SCADA的实现过程中,应保持原有的系统架构,对现有功能模块尽量少作修改。
2.3 系统设计
要将原有系统扩展为分布式SCADA系统,首先需要将原有系统的功能进行分割。很自然地,我们将数据采集模块与数据处理模块作为服务器端的功能,而将数据展示模块作为客户端的功能。
原本两个部分部署在一个节点上,它们之间的通信采用了进程间的异步消息机制,现在两个部分分别运行在不同的机器节点上,原有的通信机制不再适用。因而我们必须新增一个通信模块。扩展后的分布式SCADA系统中,在每个节点上都必须运行通信模块。
系统组件间实现远程通信有多种方式,如Windows平台下的DCOM组件,可跨平台的CORBA组件等,但如果在系统中引入这些组件,一来引用这些组件本身就比较复杂和繁琐,二来对原本基于异步消息机制的各个功能模块需要进行大幅度的修改[2]。
我们采取的处理方式是:
(1)客户端的数据展示模块与通信模块之间依然采用异步消息通信机制,可最大限度地减少对数据展示模块的修改。同样,服务器端的数据处理模块与通信模块之间也依然采用异步消息通信机制。
(2)远程通信模块之间采用TCP/IP协议连接。TCP/IP协议是一种面向链接的可靠传输协议,能够保证数据的可靠传输[3]。同时,通信模块本身不对消息分组进行处理,基本采用透传的方式传递消息分组,只是承担消息分组转发的功能。
采用这种实现方式既简单灵活,降低了系统的复杂性,又满足了系统的需求。分布式模式如图2所示。
3 通信模块设计
3.1 通信模块初始化
分布式通信模块分为3种模式,完全客户端模式、完全服务器模式和客户端/服务器模式。
通信模块启动时首先读配置文件来决定自己的模式,作为完全客户端模式时,通信模块负责接收数据展示模块的请求,并把它转发给服务器,同时把服务器返回的数据发送给数据展示模块;作为完全服务器模式时,通信模块负责接收客户端的请求,并转发给数据采集与处理模块,同时把数据采集与处理模块返回的数据转发给客户机的通信模块;而客户端/服务器模式,这种模式即表示该节点既是服务器又是客户端。
图3描述了通信模块启动后的初始化操作。
3.2 通信模块实现
(1)在客户端线程中,通信模块根据配置文件,建立与一个或多个服务器的TCP连接,并将连接信息加入到自己的连接信息链表中。
在服务端线程中,通信模块创建服务监听,接受客户端的连接请求,并将连接信息加入到自己的连接信息链表中。
客户端和服务端放在同一模块,有利于一次开发,多处应用,通过相应的配置就可以部署在客户机和服务器处进行使用。
(2)客户端和服务端都各占用一个线程,一个线程里又维护着与外部的多条链接,链接信息存储在各自的结构链表里。客户端线程管理着与所有外部服务器的连接。服务端线程则管理着与所有外部客户端的连接。采用单线程进行多条链接通信,可以减少资源的开销。
(3)每一个链接都有独立的缓存存储本链接的传输数据。缓存是在链接建立时建立,链接断开时释放。这样的设计有利于数据的相互独立性,避免数据混乱,使每条链接的数据都能够有序存储并转发,使其速度和效率大大提升。
(4)通信模块和其他模块之间的通信采用消息传递的方式。其他模块(本地的数据展示模块或数据处理模块)把每一条数据,都封装成一个消息投递到通信模块,通信模块再转发到远程的通信模块。采用消息传递的方式实现进程间通信比较方便,并且可靠稳定。
(5)前面已经谈到通信模块本身不对消息分组进行处理,只是承担转发消息分组的功能。但通信模块会读取消息分组中的目的地址,并与连接信息链表进行比较,以便将消息分组发送到正确的目的节点。
以前的消息分组并不包含目的地址信息,所以需要对消息分组报头格式进行扩展,见表2。比较表1和表2,可以看到,新的消息分组格式仅利用了原有消息分组分组头的保留字段,增加了源地址和目的地址信息。相应地,对数据展示模块和数据处理模块也需要做出局部的修改,这里不再赘述。
消息分组分为分组头和数据两部分。分组头存储了数据的序列号、长度、类型、源地址和目的地址等信息。接收的过程中,首先接收分组头。解析分组头,得到数据的长度,根据数据的长度再接收数据。然后,分组头和数据合并,完整的数据分组存入缓存链表,以供转发。这样就能保证接收数据的完整性和准确性。
通信模块之间的分组类型可包括数据分组、心跳分组以及状态分组。通信模块之间除了转发数据分组之外,会定时彼此发送心跳分组或状态分组告知对方自己的状态,以便对方和自己及时掌握连接的最新状态。
(6)通信模块中建有内存池,通信数据所需要的存储空间可以在内存池中申请和释放。内存池的应用避免数据频繁申请内存,造成内存泄漏等问题[4]。
图4描述了分布式SCADA系统中通信模块结构及外部通信接口。包括客户端线程和一个服务端线程,每个线程维护多条通信链接。本地通信模块与远程通信模块通过网络进行通信,和本地数据展示模块以及数据库模块采用消息传递的方式进行通信。
4 总结
分布式通信模块需要长期运行,对稳定性和可靠性要求比较高。
通过以上方法实现的分布式通信模块,有效地完成了多客户端多服务器的分布式SCADA系统的需求。这种设计与实现简单有效,既节省了开发时间,又能达到很好的性能。经过测试,扩展后的系统,一个客户端连接多个服务器,一台服务器连接32个客户端的情况下,通信模块依然可长时间地稳定运行。
同时,采用以上方法实现的分布式通信模块具有一定的通用性,在进一步的完善和提炼后,可适用于采用消息透传方式的系统间通信[5]。
采用以上方法实现的分布式通信模块,对于大型控制规模的系统来说,其通信效率还是有待提高的。对于中小型控制规模的系统来说,则完全可以满足现场应用的需求。
摘要：分布式数据采集与监控(SCADA)系统中,为了保证上、下位机的数据通信,需增加通信模块为上、下位机建立数据转发通道。本文介绍了一种多对多连接的通信模块的实现方法,该通信模块采用了TCP/IP协议以及多线程技术。应用研究表明,多线程的应用可以大大提高数据传输的速度和效率。通过测试证明该方法运行稳定、可靠,即将投入工程现场应用。
关键词：分布式SCADA系统,通信,多连接,多线程
参考文献
[1]于宏霞,黄志春.嵌入式网关中分布式通信模块设计.广西科学院学报,2007
[2]任恩茂.NET框架下分布式通信技术的分析与研究.网络与通信,2006
[3]赵宏.分布式系统通信协议的研究与设计.硕士学位论文,2003
[4]王艳平,张越.Windows网络与通信程序设计.北京:人民邮电出版社,2007
[5]崔杰,徐浩,丁月华,李巍.跨协议的企业分布式即时通信系统的设计与实现.计算机应用,2009
SCADA系统通信网 篇2
采用多业务传送平台优化电力SCADA系统通信组网方案
着重讨论如何利用多业务传送平台(MSTP)的二层交换功能实现电力SCADA系统传输带宽的.统计复用,通过对各种可能的解决方案进行深入比较分析,特别是从原理上深入分析MSTP和二层交换机在二层交换实现方式上的区别,提出一个经济简单、安全可靠、完全满足电力SCADA系统QoS要求的全新解决方案.
作 者：赵晟 Zhao Sheng 作者单位：中铁二院工程集团有限责任公司,成都,610031刊 名：铁路通信信号工程技术英文刊名：RAILWAY SIGNALLING & COMMUNICATION ENGINEERING年，卷(期)：20107(1)分类号：U2关键词：MSTP 二层交换 带宽 电力SCADA 统计复用
SCADA系统通信网 篇3
[摘要]本文结合锦州市大凌河供水工程SCADA系统设计的实例，详细介绍了SCADA系统的配置和功能，锦州市大凌河供水项目已运行十五年之久。取得了很大的经济效益和社会效益，积累了丰富的操作使用经验，对今后设计新的给水项目具有很大的指导意义。
[关键词]SCADA系统，RTU，主机，GPRS软件
[中图分类号]TV674 [文献标识码]B [文章编号]1672-5158（2013）06-0305-02
1 前言
我们从八十年代中、后期选用了国内、国外的SCADA系统设备，最早使用单线遥控技术，后来采用功能组的遥控设备，近十几年选用成套的SCADA系统。要求四遥的水平不断迅速提高，SCADA监控设备也不断更新换代。近几年我们在哈尔滨市、大连市、鞍山市、营口市设计了十多项SCADA系统，投运后运行良好。由于锦州市大凌河供水中设计选用的SCADA系统于1994年投产以来可靠稳定运行十四年了，而且其规模也很大，所以本文重点介绍了SCADA系统在锦州大凌河供水系统中的应用，很有代表性，很有实际意义。
供水工程简介：锦州市大凌河供水工程是世界银行贷款的国家重点工程，1991年设计，1992年动工，1994年建成。供水系统包括20万吨/日生产能力的大木净水厂（包括原有13万吨/日），10万吨/日供水能力的八段加压泵站，水源地的水源井群（20口）。大木水厂离八段加压泵站有50公里，八段加压泵站离水源地井群有十几公里，水源井布置比较分散。
2、SCADA系统方案的确定
该供水系统规模大，供水范围广，由于提供城市大部分的生产及生活用水，因此可靠性要求高，按传统的管理方式设计，净水厂、加压泵站和水源井群均需要安排人员值班，各处的值班人员保持经常的电话联系，才能了解各处的泵的运行状态、出水压力、机温、水位、流量等参数。一旦泵或仪表出现故障，派人马上维修。这种管理方法，第一，不可靠，在通讯不畅或阴雨天经常会出现各种事故，造成停止供水；第二，这种管理方法，工人的劳动强度大，责任重；第三，技术落后，严重制约了供水系统的科学化、现代化。
为此，对该供水工程选用了可靠先进的SCADA系统。“SCADA”的涵义为：“SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITIONSYSTEM”，中文为“监控及数据采集系统”。通讯采用有线与无线相结合。在此以前，在别的供水工程中我们设计选用过单线遥控，功能组件的四遥系统，以单片机为基础的四遥系统，但均不理想、可靠。虽然这些技术、产品当时还有。但由于：一、设备，技术落后；二、元器件不可靠；三、不兼容，不开放，不遵守国际上的通讯协议TCP/IP FTP，尤其IEEE802.3。所以在设计时不能采用。
该供水系统设计选用的是国外的SCADA系统，技术参数以美国产品为依据，通过世界银行贷款设备招标。招标来的是美国摩托罗拉公司产品，遵守IEEE802.4，无线通讯遵守IEC870.5。
该供水工程的SCADA系统是一个三级调度系统。水源井群为最下级调度；八段加压泵站、大木净水厂及原有供水厂为中间级调度；公司对这些泵站水厂为最高级别调度。
监控内容如下：
2.1 大木净水厂
2.2 八段加压泵站
2.3 水源井群
3 SCADA系统的构成及配置
SCADA系统是由远程监控站、通信系统、上位管理站及计算机网络构成。
该系统可支持单层网到复杂的递阶多级网。每级最多可支持240个远程监控站或1000个站。监控范围可从几公里到几百公里（加中继站）。监控点数从几百点到几千点。而且该系统遵循国际通讯协议。
3.1 远程监控站
3.2 通信系统
3.3 上位管理站
3.4 计算机网络
4、SCADA系统的软件系统
SCADA系统中的软件是基于面向对象的多任务执行系统（MTE：Multi TasMng Executive system）设计而成的。当SCADA的RTU冷启动时自动支持不同的硬件模块和用户设置的不同的通讯口。这样所有RTU可以使用一个标准的软件包满足不同的应用需要。SCADA系统中的软件支持基于OSI模型的通讯协议MDLC。该协议将网络分成7个连续的层次，每层均为其相邻高层提供一个基本的服务和支持。
SCADA系统中的RTU软件提供下列功能：
——可以将应用程序分成最多可达5个优先级别，以提高系统效率；
——提供对用户数据表和梯形图的实时监视和调试；
——RTU上电时执行上次RTU掉电时执行的任务；
——随时检测软件和硬件故障；
——所有软硬件的错误信息存储在错误登录器中，可在SCADA系统任何通讯口调出，以方便系统的调试和日常维护。
4.1 编程工具包及其功能
4.2 数据传送方式
5、系统功能及特点
5.1 系统功能
1）遥测功能：数字滤波、报警比较处理、算术与逻辑运算、流量积算和脉冲累计等。
2）数据采集和报警监视功能
3）遥控功能：PID控制、顺序控制。
4）维护功能：故障诊断、错误处理。
5）管理功能：能量计算、数据处理、画面显示、潮流预测、优化调度、趋势记录及报表打印等。
5.2 特点
1）可靠性高。
2）通信方式多，距离远。
3）组态灵活，构成扩展系统容易。
6、检测仪表
按工艺流程的要求设置了相应的检测仪表。
如上所述，所选用的仪表包括流量（电磁）、压力、佘氯、浊度、液位（超声波）、铁离子、锰离子等仪表。
另外，自动加氯系统提供了漏氯、氯气气体流量，自动加氯机阀位等。
不容忽视的事实是，电气设备提供的开关量是可靠的，因此检测仪表的质量也要求的高，为了SCADA系统的成功，所以设计及设备招标选用的仪表均是来自美国、英国、德国的先进可靠的智能型的检测仪表。
7、SCADA系统运行总结
当然，今日的SCADA系统不论硬件、软件，随着电子信息技术的迅猛发展均有很大进步，硬设备如CPU，存储器，硬盘等的技术指标也有很大提高，软件自诊断功能加强，所以在以后的供排水工程设计中要考虑到系统兼容性，日后可扩展性。
为了提高系统通讯的可靠性，无线通讯今后最好选用被实践证明可靠的GPRS技术。2004年设计沈阳供水项目的SCADA系统就是这样做的。随着计算机网络控制技术早已融入了变电站监控的方方面面，国内外已制造出了变电站（所）计算机监控系统及马达管理中心。2008年鞍山市供水项目SCADA系统就是这样做的。该系统是一套利用计算机网络控制技术对变电站（所）进行测控和监视的软、硬件体系。八段加压泵站、大木配水厂由于主要设备为高压电机，应使用这种系统设备最适合。该系统由综合保护器、现场总线、PLC前端机及配套软件组成，PLC由前端机控制。
通讯选用光纤，数据传播既迅速又准确（八段加压泵站至井群儒RTU）。
前端机提供网络通讯接口与监控中心或工作站连接，实现系统集中监控。前端机要遵守下行通讯协议MODBOS、上行通讯协议ICP/IPMODBOS、DC451等。
综合保护器是集保护、测量、控制、通信功能为一体的分布式微机成套保护测控装置，并有sCADA接口，采用后可省掉电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等检测仪表，并可大大减少二次接线，节省人力，减少故障点，便于检修。
最近几年尤其2004年设计的沈阳、大连、鞍山、营口等供水项目都是这样做的，在沈阳市供水项目设计的SCADA系统还考虑了上述的新理念、新技术、新设备并妥纳。
尽量采用嵌入式技术
今后尽量采用嵌入式技术，将过去的FCS、DeS、PLC、GIS、OAS办公自动化系统，所有现场测控系统及主工艺流程所引用的先进控制技术（如未来两远测，模糊神经技术在线监控的加药系统，污性物废气处理的人工智能防真闭环监控系统等等）都纳入到INTERNET+RTE+TCP/IP协议为主要模式的信息控制一体化系统中去。因为嵌入式系统是实现工业信息控制一体化不可分割的一部分。
专家们预测，到2010年是嵌入式INTERNET的时代。
SCADA系统通信网 篇4
一、SCADA系统设计
本设计SCADA系统要求具有正确性、实用性, 能够满足预期的目标。软件工程过程包括开发、运作、维护等过程, 依照这个流程, 开发流程为需求活动、设计活动以及实现活动, 需求活动是指依照需求, 理清最终软件产品的描述, 设计活动是指依照设计要求, 描述附加以及需要的功能、结构等, 实现活动是指自主开发各模块功能, 除此之外还包括了确认活动以及维护活动。
SCADA系统在设计中需要考虑先进性原则、实用性原则以及规范运行原则等, 依照以上设计程序和原则, 此设计系统包括数据库服务器、PDA移动终端和GIS服务器三部分组成, 在GIS服务器中安装设计监控服务软件, 此系统支持缺陷数据采集以及报警等功能。数据预处理软件, 为占用更小的存储空间, 空间数据经过压缩、分层以及建立索引等处理。监控服务器软件设计组成模块包括地图显示、分析量算、影像和矢量图转换、坐标系变换、监控功能、报警功能、特殊区域和危险点编辑、线路以及轨迹保存等。移动终端软件组成模块包括地图显示、分析量算、危险点采集、一键报警、通信以及缺陷采集等, 缺陷采集方法实现见下图1所示。
此设计SCADA系统实现监控、通讯以及安全保障功能, 监控服务器地图的显示主要是实现地图的放大和缩小, 坐标系的转换是指实现常用地心或质心坐标系的变换, 在数据结构设计中, 显示数据包含工作区索引、坐标数据、背景数据索引以及层控制索引等。系统监控服务器界面设计包括登陆界面、主界面, 移动终端界面设计包括主界面、缺陷采集界面等。
二、系统实现
地图数据资源类型包括卫星影像数据以及系列比例尺矢量地图数据等, 在数据的与处理中考虑到数据的来源, 还需要采用影像数据纠正比例尺矢量地图数据, 简化处理矢量地图数据, 地图数据预先处理包括数据的压缩和输出, 满足保密需求的二进制格式转换以及相应的索引等。
报文以字节为单位, 消息发送机制中, 监控中心和移动嵌入终端采用S0CKET通信方式实现通信, 为保证系统的正常运行, 还选取设计回复机制、测试机制等。多线程技术函数原型为 (部分) :Cwin Thread AFx Begin Thread (LPVOUD p Param;Dow ORD dw Create Flags=0) 。主线程通过事件对象与附加线程通信。
地图的显示采用并行特点的动态检索, 地图操作的改变通过坐标转换实现。系统运行计算机监控服务器处理器要求主频≥2.8Ghz, 内存超过512M, 移动终端内存超过32M, 主频≥400Mhz。
三、结束语
综上所述, 本文主要研究基于无线通信技术的SCADA系统的设计与实现, 本设计系统具有很强的实用性, 随着科学技术的不断进步, 以后还会有新的无线通信技术如WIll等应用到SCADA系统设计中, 这些还需要更多的人努力去研究。
参考文献
[1]刘超, 张祎.基于GPRS通讯的燃气管网SCADA系统设计[J].工业控制计算机, 2013, 26 (11) :29-30
天然气管线SCADA系统应用 篇5
长岭—松原天然气管道建设工程采用站控系统，对长岭首站和松原分输站、电厂支线末站、大化肥末站的工艺设施进行监控，站控系统与已建的销售公司调度中心进行数据通讯，本工程的自控水平将达到调度中心远程监视、站控系统本地监控的水平。
长松管线SCADA系统由GE的PLC、操作员工作站、打印机、路由器、交换机和不间断电源（UPS）等设备组成，主要完成站场内数据采集、监视、控制和流量计算等功能，并向调度中心传送实时数据，接受调度中心下达的任务。
操作员工作站采用性能稳定的DELL计算机，站场安装的MMI软件采用的是中油龙慧公司研发的Epipeview2.0软件，PLC系统采用GE公司的产品，路由器采用Cisco-2821路由器.操作员工作站、PLC、路由器、打印机通过交换机连接成局域网。操作员工作站也通过PLC交换数据。
系统解决方案和实施
1.系统结构
本工程控制系统采用三级监控结构：
一级为销售公司调度中心：销售公司调度中心以通讯方式对首站和分输站进行监视；
二级为站控系统：在正常情况下，由站控制系统完成对现场设备的自动监控；
三级为现场操作：当站控系统出现故障或检修时在现场进行设备操作。
2.站控系统
站控系统主要由控制站、操作员工作站、数据通信接口等构成。过程控制单元采用可靠性高的远程终端单元(RTU)，作为人机接口的操作员工作站采用微型计算机。通讯方面，配置与现场智能设备相连的通讯接口单元，采用标准的ModBus RTU协议，RS-485接口，通讯速率9600bps。设置以太网通讯接口模块，通过光纤将数据上传至调度中心。同时站场还设有独立的流量计算机，流量计算机与站控系统通讯，获取天然气组份值，流量计算机根据差压、压力、温度和天然气组份计算标况流量、天然气密度、热值等数据，并将计算数据上传给站控系统，对分输流量进行计算、归档存储，该系统采用单总线方式，使用LD语言应用程序实现编程要求，扫描时间可以达到30ms左右。
在该项目中，上位机与下位机（PLC）之间通讯是标准的Modbus TCPIP协议，现场设备状态和数据分俩种方式上传到PLC.一种是通过硬线的方式直接上传到PLC模块,中间通过信号防雷击端子、电源防雷击端子等进行保护；另一种，像流量计算机、气体组分分析装置的数据采集，工程统一定义通讯接口为RS485，使用GE IC695CMM004型号的通讯模块，把现场串口设备转换为以太网，上传到通信模块，通过上位机直接采集数据。
用途： 天然气管线SCADA系统
SCADA系统通信网 篇6
关键词：GIS系统；SCADA系统；集成
中图分类号：TM764
地理信息系统（简称GIS）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统。GIS系统是管道数字化的基础，其强大的数据管理和分析能力能够为数字管道提供基础的数据入库、管理、显示、更新等功能，更是巡检与线路管理、设备抢维修、应急、完整性管理等应用的基础。
数据采集与监视控制系统（简称SCADA）是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。在天然气管道行业中，SCADA系统应用最广，技术也最成熟。SCADA系统能够进行数据分析、掌握系统运行状态、快速显示出运行故障，已经成为管道运营中非常重要的工具。
1 系统集成意义
GIS系统和SCADA系统的集成进一步提高了GIS系统的应用，将GIS系统提升成为了一个实时系统。各类数据可以在GIS系统上集中整合展现，同时为SCADA系统提供了良好的数据基础。在GIS系统上，还可以用图形、图标等形式来多方式更为直观地表达管道的实时数据、设备状态信息、实际运行状态等。
在天然气管道数字化系统的建设中，GIS系统与SCADA系统的接口建设是非常关键的，接口的优劣将直接影响系统的整体性能。
2 集成技术现状
目前国内外还没有一套完整的GIS与SCADA的接口标准规范，也没有形成国际范围内的行业标准。目前GIS系统与SCADA系统的集成有两种基本方式：一体化方式和接口方式。
2.1 一体化方式
一体化方式是指GIS系统与SCADA系统两者的底层数据、功能分布和界面全部一体化，主要是SCADA系统和GIS系统服务器端相对独立运行，但实时数据库、历史数据库和空间数据库保持唯一性，GIS平台负责客户端的图形定义和管理。一体化的集成方式直接实现GIS系统的地理信息和SCADA系统的实时信息的无缝接入，充分发挥两者的性能。
2.2 接口方式
接口方式是指GIS系统与SCADA系统依旧是两个相对独立的系统，各自独立维护数据，绘制图形，通过数据访问和数据共享让两系统之间的数据进行交互。接口的集成方式具有一体化设计思想，一致的界面风格，不同的应用运行于不同的节点，不同的功能分布配置等特点。
3 两种集成方案对比分析
3.1 一体化集成方案
GIS系统和SCADA系统一体化集成方案最重要的就是数据的共享，突破原有GIS数据格式和SCADA数据格式不一致所带来的屏障。一体化的优势是两个系统在同一个数据源里提取自身需要的信息，用户只需维护同一个数据，就可得到充分的数据共享。这样既能保证数据的一致性，又可极大降低用户工作量，不必重复录入和维护数据。
3.1.1 主要优点
（1）GIS与SCADA集成。保证这两个系统安全、稳定、可靠和高效的运行。GIS系统预留功能接口，将GIS中具体应用功能模块整合成应用功能接口函数，供SCADA直接调用，从而保证SCADA系统通过功能函数接口，直接调用GIS系统应用模块，实现GIS功能。
（2）信息的高度统一。管道模型、图形数据和人机界面等数据全部由GIS系统生成和管理，SCADA的主要图形由GIS生成，线路结构的变动与GIS同步；实时数据全部来自SCADA系统的实时数据库，GIS系统实时数据刷新频率与SCADA一致。
（3）数据保持一致和同步。GIS系统通过采用标准数据库接口方式或TCP方式从SCADA系统实时数据库中读取实时数据，通过ODBC从关系数据库中读取配网历史数据库。通过与SCADA系统进行通信，SCADA数据在GIS系统中显示，从而对管道进行实时监控和管理。
3.1.2 主要缺点
（1）技术要求高。在GIS系统建设之前，SCADA通常已经建设完成投入使用，如果要将GIS与SCADA一体化，对GIS的开发有很高的要求，要求熟悉SCADA内部结构和数据库结构。目前，该技术尚未被广泛研究，因而成熟性差。
（2）开发周期较长。由于技术要求高，因此开发难度较大，建设周期会相对较长。
3.2 接口集成方案分析
接口集成方案是指GIS系统和SCADA系统通过计算机网络在应用层上实现动态数据的共享和交换。GIS和SCADA系统依旧是两个相对独立的系统，各自独立维护数据、绘制图形，只是通过数据的互相访问和数据共享，让两个系统之间进行数据的交互。
GIS系统和SCADA系统的接口方式最关键的是两者之间不直接通信，而是通过中间接口，来实现数据的共享。
3.2.1 主要优点
（1）两个系统基本独立，互不影响，安全性更高。GIS系统不直接读取SCADA系统的实时数据，通过中间数据接口获取数据。
（2）技术难度低、成熟性较高。由于回避了SCADA、GIS复杂的内部结构和数据库结构，接口开发的技术难度较低，开发周期较短，因而成熟性相对较高。
（3）接口更容易维护。GIS通过接口获取SCADA数据，当SCADA改变时，只需要修改接口程序，无需修改GIS中的功能。
3.2.2 主要缺点
（1）数据维护不同步。当出现设备属性数据需要修改、管道变化等情况，则要在两个系统中分别修改。
（2）无法实时展示数据。GIS是通过中间数据接口方式来获取SCADA数据，因此无法获取实时数据，一般会有几秒的延迟时间，如5s、10s。
4 结束语
根据上述两种GIS系统和SCADA系统集成方式的优缺点对比，天然气管道运营单位在建设GIS系统之前已经有成熟运行的SCADA系统，SCADA运行在生产网内，而GIS普遍运行在办公网，GIS需要跨越网络才能获取SCADA数据，GIS系统在建设时，很难与SCADA统一设计，采用SCADA设计工具和图形界面。
鉴于目前天然气管道公司实际情况，GIS与SCADA系统接口集成方式是最佳选择，接口开发方式具有技术难度较小、开发周期较短的特点。一体化集成方式可以作为GIS与SCADA集成的远期发展目标。
参考文献：
[1]黄志龙，邱家驹.配网SCADA和GIS功能的集成[J].电力系统及其自动化学报，2000（08）：36-41.
[2]丁锋，张子仲，丘明德. 配电管理系统中GIS与SCADA系统的结合方法[C].第三届北京输配电技术国际会议论文集，2001.
作者简介：仝晓雯，女，工程师，硕士研究生，2007年毕业于北京科技大学，现就职于管网信息监控中心，从事管道及LNG接收站数字化及管网监控工作。
SCADA系统通信网 篇7
随着国民经济的快速发展,工业及制造业的产业结构调整,对于电力系统中的电压等级和供电半径以及输配电容量等方面都有了较高的要求,从而使电网的复杂程度的进一步提高,导致电力系统的运行和维护对于自动化管理和控制的需求十分迫切,计算机网络技术和信息技术在电网中的应用,使电网的调度和自动化管理和控制的安全性、经济性和可靠程度都得到了很大程度的提高。而电网的调度自动化的基础就是数据采集分析和系统监控,也就是我们提到的SCADA系统。SCADA系统可以实现对于发电厂和变电站的远程遥控,通过远方终端将收集的信息传输到调度控制中心,调度控制中心分析处理后发出相应的调度控制指令经远方终端传输到发电厂和变电站从而实现变电站的自动化管理和控制。
2 SCADA系统的于其他平台通信规约的可互操作性结构基础
通常情况下,发电站内部的自动监控管理系统是与RUT(远方控制终端)通过交换信息而共同实现SCADA系统的功能的,也就是会所通信网络是SCADA系统中的最重要的构成部分。在当前国内的SCADA系统系统设计中,系统与设备之间的通信模式还没有比较统一的接口标准规定,通信规约的类型多,组成参差不齐,存在着大量浪费SCADA系统软硬件的开发人员资源的现象,并且对于用户设备的选型、运行管理和维护工作操作不便。虽然通信规约装置是系统中不可缺少的设备,但是当前在国际市场上比较通用的行业标准规约也只有IEC6087025系列和DNP3.0两种。而近几年兴起的现场总线控制技术和类似于基金会现场总线FF、过程总线PROFIBUS等具有更好的可靠性。
2.1 SCADA于其他平台通信规约的可操作性系统硬件设计
SCADA于其他系统平台通信规约的可操作性是建立在监控主站作为自动化控制调度指挥中心的基础上的,需要对整个系统运行的状态和突发情况进行监控、调度和管理。监控系统主站方面的设计要从可靠性和实时性角度进行设计考虑,要具备双通信前置的冗余设计结构。在一般的工作情况下,双机设计不仅仅是为了实现对等互为备用的设计方法,同时,在进行数据收集对设备进行通信管理过程中,一旦出现故障,还可以通过预先的软件设计和管理,实现自动切换的功能。比较常见的前置机硬件结构设计有采用PC104模块作为嵌入式系统设计的,在该模块上通常会自带网络接口和PCI插槽,通过网络接口可以连接到以太网实现监控主站的网络化数据通信和管理。同时,在PCI插槽上通过接入MOXA卡的方式可以扩展出多个具有下行、直行端的连接设备串口,以拓展和实现对于各个执行端数据信息的信息收集、信息查询和信息分析功能。
2.2 SCADA于其他平台通信规约的可操作性系统软件设计
硬件系统是整个系统平台的基础组成部分,而软件系统设计则是系统的灵魂。SCADA与其他平台通信设计的操作实时监测系统需要在限定的时间内实现所有特定的功能,并且及时对外部的非同步事件做出相应的动作反应。这些通信软件设计基本要依附于前置机进行设计,其在前置机上软件设计的特点和同硬件的联系有以下几方面的内容:
(1)通信前置机的功能实现要求。也是就说,系统主机与通信前置机之间需要建立一种以通信前置机为主的通信模式。既要确保经过网络系统主机发过来的指令可以及时的进行规约转换,成为适合被控制端的网络传输远动规约后,最终通过特定通道传输到执行端,同时又要可以从执行端采集相关数据信息,进行判断信息的正误,通过重发机制将有错误的信息进行重新校正发送,并将正确的信息和数据报表等信息转换成适用于主站网络的规约,通过主站网络传输给控制主机。
(2)通信前置机同各个执行端之间通信进程的建立。通常情况下,通信前置机需要同各个执行端建立起多个通信进程,需要同时对多个执行端进行通信。这就要求前置机要同一时间完成执行端的多轮任务,还要对执行端的运行情况进行收集和查询,并按时完成对执行端的信息采集和信息测试功能。在通信软件查询过程中如果发现某个执行端出现故障,就需要对该故障点采取停止措施,对相关的设备进行查询,待故障解决后,需要及时恢复正常轮询状态。
(3)通信前置机的双机设计可以确保系统动态监测控制的连续性,即使在设备故障的情况下,也可以通过故障自动切换设计实现备用设备的调用,确保通信的安全性和可靠性。此外,SCADA与其他平台通信规约的设计系统中的人机操作可视化操作界面可以通过键盘等设备实现对于系统内相关时钟参数、通信口、通信站和GPS串口以及相关监视设备的设置和调整,并实时在显示屏上展示出调整后的通信状态。
3 对于SCADA于其他平台通信规约的可互操作性建议
3.1 数据链路层的整合措施
对于一些系统通信规约操作中需要采取请求应答、多主机运行和对等运行的设计时,我们可以通过选择平衡模式的方法,进行多站点的网络设计方案,避免网络冲突的问题,同事在连接方面也可以采用全双工对点的方式,或者通过设计载波监听访问以及冲突监测技术对夸平台的通信传输进行转换和控制,并根据每段应用信息层的数据读写特征和信息识别方式,讲多种数据类型或者类似的应用层采取同一种操作,从而实现不同通信平台在同一种规约下的可互操作性应用。
3.2 现场总线通信协议的应用
从SCADA于其他平台通信规约的可互操作性的系统设计来讲,现场总线协议的应用可以在连接智能设备的情况下,实现系统的自动化数字双向传输,且还可以实现通信网络的多分枝结构设计。这些应用特征都是利用了现场总线通信协议控制系统的集成性、数字化控制、系统功能控制分散化、系统开放性和可互操作性强的特点。截止当前现场总线的种类已经超过45种,且在市场经济的刺激下,现场总线通信协议的设计和工艺也不断的更新,在一定程度上促进了SCADA于其他平台通信规约的可互操作性的发展。
4 结语
综上所述,SCADA于其他平台通信规约的可互操作性相对还是可行的,但是就当前的电厂应用和发电站设计来讲,对于其他平台的应用的相关硬件配置和软件设计还不具备成型的规约标准,在实际的操作中需要具有较强的跨平台理论知识,且对丰富的平台通信规约经验要求较高。SCADA系统本身就是一个自动化管理程度较高的平台设计,同其他平台通信规约的可互操作性,对于提高电厂系统操作的安全性和可靠性有着十分重要的意义。
参考文献
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浅议SCADA系统安全防护 篇8
SCADA系统在实现数据采集和监视控制的时候, 主要是建立在现代计算机系统的基础上, 在此基础上对生产和调度进行自动化控制。应用最广泛、技术发展最成熟的SCADA系统主要在电力系统中。加强对SCADA系统安全方面的防护至关重要。也是我国在信息安全方面的一个重大研究课题, 所以找到它在系统安全的主要风险就显得特别重要。
2 SCADA系统安全的主要风险
2.1 SCADA系统的主要组成
对于SCADA系统安全的主要风险进行分析, 我们就有必要去了解SCADA系统的主要组成, 一般的SCADA系统主要包括控制中心、通信网络和现场的设备。而这些组成部分又包括好多的小部件。控制中心主要包括应用服务器、历史数据服务器、调度人员工作站、Web发布服务器和移动设备。通信网络主要包括现场总线网络、控制网络、主站网络、远程接入点、主站网络与企业网络接口。现场的设备主要包括可编程逻辑控制器、远程测控终端和智能电子设备。对于这些组成部位进行分析可以找到对SCADA系统构成安全威胁的主要风险。
2.2 主要安全风险
由于受到我国科学技术水平的限制, 部分设备是从国外购置进来的, 这些设备在一定程度上就存在着风险, 可能有漏洞的存在, 会导致数据的丢失和网络中断等, 这就是一个重要的安全风险;通信网络上有可能有漏洞的存在, 一些攻击系统的攻击者就会利用通信网络上的漏洞对SCADA系统发送一些错误的控制命令, 这也就成为这个系统中容易受到攻击的一个关键部位, 控制中心和基站之间的控制系统主要是采IEC60870-5-101/104规约实现的通信, 可是104规约不具备加密和认证功能, 这也就成为一个安全问题, 同时在固定的2404端口, 还存在有被窃听、分析和代换的风险, 特别是一些厂站他们在不具备光纤通信的时候, 竟然采用GPRS和CDMA无线通信技术, 有些厂站直接将101规约在GPRS的环境中去使用, 通过APN虚拟网络进行数据采集与发送控制命令。这些没有采用加密和身份认证等安全措施, 在较大程度上存在有风险;各种通讯技术的不断发展, 使得TCP/IP网络通信技术和一些智能型的组件在SCADA系统中得到了广泛的应用, 这种应用就会将网络里的各类病毒、木马等引入到这一系统中, 此时SCADA系统将会面临黑客和木马的攻击。遭到攻击后, 将会发生网络中断、系统信息泄露等不安全事故。所以这种高端的网络通信在一定意义上存在着较大的风险:系统之间的控制在信息传输过程中有时候不能保证信息的安全性和完整性, 同时各个控制系统之间的网络需要定期的进行更新和检查, 确保不被病毒入侵, 总之是多方面的, 归结起来就是故意的破坏和自然的破坏。故意的破坏指的就是恐怖组织、敌对势力等, 而自然的破坏可能是操作者的失误、自然方面的天灾等。表1列出了SCADA系统可能的安全威胁。
3 对于SCADA系统安全防护的措施
3.1 强化安全管理体系的实施
SCADA系统的安全保证可以从强化安全管理体系的实施方面进行防护, 在具体实施中, 建立相对比较完善的规章制度, 实行岗位责任制, 明确各自的职责范围, 不越权行使权利, 实行责任具体到人, 做好相应的数据记录, 对于每天进行操作的人员时间都要进行详细的记录, 同时对参与到工作中的人员定期进行理论知识的学习, 让他们了解更多安全使用方面的知识, 学会快速的解决出现的简单问题, 同时加强法律法规的学习, 提高法律意识。
3.2 规范工作人员技术水平操作
参与操作的工作人员, 技术水平一定要到位, 同时也要进行规范化的操作, 不能采用不安全的网络进行连接, 对于计算机操作系统要采取相应的安全措施, 防止病毒木马等的入侵。对于SCADA系统在上线之前必须要进行安全测评, 上线之后的安全风险也要去进行评估, 对于需要整改的要及时去操作, 同时技术人员要建立好相应的应急预案, 在发生紧急情况时, 可以快速的启动应急预案, 最大程度的降低经济损失。
3.3 计算机主机系统的安全保证
在SCADA系统中, 计算机系统是一个基础的组成部分, 但也是关键的部位。它关系着数据处理和信号的传输转化等作用。所以加强对计算机系统主机的保护是很关键的, 对于系统采用随时更新的安全补丁, 对于不用的账号和密码要及时的删掉。在密码形式上要采用大小写和数字并用的混合模式, 增加破解的难度。
4 结束语
SCADA系统的应用越来越广泛, 加强SCADA系统安全防护至关重要, 只有增加了SCADA系统安全性, 我国的众多行业的发展也就多了一份保障。
摘要：本文通过对SCADA系统的概念阐述, 分析了当前形势下在SCADA系统安全方面的主要风险, 并对SCADA系统安全防护采取的措施进行了总结, 希望这些措施能够在SCADA系统安全防护方面发挥它的有效作用。
关键词：SCADA,系统安全,防护
参考文献
[1]方兰, 王春雷, 赵刚.SCADA系统结构特点及其脆弱性分析[A].全国抗恶劣环境计算机第十七届学术年会论文集, 2012 (03) .
在役管线SCADA系统改造研究 篇9
鲁宁输油管道, 担负着长江中下游地区的南京、扬子等数十家石化企业进行胜利原油和进口原油的输送任务, 为促进长江中下游及华东地区的国民经济发展起着至关重要的作用。虽然2000年对鲁宁线连续进行改建与扩建, 但是目前这个现在系统也呈现出以下不足和隐患:PLC无热备冗余支持, 安全性较热备冗余系统差;上位HMI基于Citect V5.42组态开发, 版本较旧, 部分功能支持不完善, 可靠性较新版本差;上位机原HP工作站利旧使用5年以上, 已近寿命期, 故障几率逐渐提高;上位机为单机运行, 无冗余备用机, 一旦出现故障, 整个SCADA系统运行参数及设备将失去有效监控, 给生产带来较大风险。
2 控制系统升级改造
对于在役管线而言, 对其进行自动化改造, 不可能等同于新建, 必须以在役SCADA为基础对系统进行进一步的优化改造, 以此来提高整个控制系统的自动化水平。
2.1 硬件升级及系统构成
2.1.1 系统冗余功能及处理器的功能升级
PLC系统沿用原系统AB公司Controllogix5000的新一代产品系列, 用户内存空间升级到2MB, 并且新系列在功能上可实现硬件底层热备冗余功能。使用配置一套完整冗余功能的处理单元, 组件包括CPU (L61) 、CNBR、ENBT、SRM、SRC。
原CPU及以太网模块不支持冗余结构, 新增加两个本地机架, 配置冗余结构, 由主控制单元、备用控制单元、扩容IO机架、原IO机架的组成的架构。主控制单元与备用控制单元互为热备用, 组成了冗余结构。
2.1.2 系统网络及总线
原系统Control Net通讯网络与冗余系统兼容, 在设计上充分利用原本地机架和远程扩展机架等硬件, 将原系统的多个本地机架转换为新系统的远程IO单元, 仍使用Control Net介质冗余网络作为远程IO网络扩展, 原机柜配线与现场接线均可利旧;系统扩容部分新增加一个远程IO机架, 配置所需IO模块与接线。
通讯网络的构成:1) 机架内通讯。各I/O模块通过底板通讯, 数据通过总线通过controlnet模块CNBR上传至PLC进行处理运算。2) Controlnet通讯。每个I/O机架单元都有一个controlnet模块CNBR, I/O数据通过controlnet总线进线数据交换, 完成数据上下行。3) 以太网通讯。主处理单元有一组以太网模块ENBT, 通讯速率10/100M, 上位HMI通过以太网和CPU进行数据交换, 实现监控。
2.1.3 系统冗余功能特性
冗余系统对异常情况的响应如下:1) 主控制单元的CPU模块故障或掉电等异常情况, 备用单元自动切换至备用控制单元运行主控制单元的Enet模块故障、掉电、以太网网络中断等异常情况, 备用单元自动切换至备用控制单元运行。2) 主控制单元的CNBR模块故障、掉电、Controlnet网络丢失等异常情况, 备用单元自动切换至备用控制单元运行。3) 热插拔主处理单元中的任何模块。4) 主处理单元上的任何模块发生硬件故障或固件版本问题。5) 通过发送指令到CPU或通过RSlinx中可进行人工热备切换。6) 主处理单元机架掉电或模块故障。
2.2 软件升级及功能
2.2.1 系统PLC程序升级
系统硬件升级后, 控制器、处理器等Firmware和PLC程序需要进行升级。考虑对冗余功能的技术支持及整个系统的稳定性等因素, 对硬件CPU控制器模块、CNBR网络模块、ENBT网络模块的Firmware进行升级。
Citect新版V6.1软件不仅在功能、可靠性、稳定性、运行优化等方面都较原版本有很大提高, 并且界面也更友好, 对新版的操作系统也有更好的支持。经过测试, 综合数据响应速度及运行稳定性因素, Citect HMI与PLC之间的通讯采用RSlinxprofessional所支持的OPC开放协议。
2.3 系统安全
系统安全包括现场运行设备的安全联锁保护及整个SCADA系统的运行安全。
1) 安全联锁保护。依据工艺情况进行监视、预警和安全联锁保护, 分为两级保护, 一级为参数报警, 二级为参数停机保护, 在每台操作员计算机上, 系统设置了参数越限声光报警功能, 当出现如压力超限、温度超限、油气泄漏引发可燃气体报警等不安全因素时, 越限的参数会发出显示颜色变化和闪烁告警, 报警画面中将显示详细报警信息报警, 同时发出蜂鸣器警告, 以提醒值班人员采取相应措施, 保证系统的安全稳定。2) 系统运行安全。a.设计中采用热备冗余结构, 提高系统运行可靠性。b.所有操作站系统开机直接进人站控SCADA系统, 屏蔽用户环境及外接设备, 杜绝非SCADA系统的操作, 从技术上保证专机专用。
3 接地与防雷
3.1 系统隐患
鲁宁线各站站控系统接地的普遍情况为:站控室室外设有人工接地装置, 通过接地扁铁引入站控室内。站控室室外设有接地极, 站控室PLC机柜接地通过接地电缆与之连接。PLC机柜内设有一根接地汇流排, 接地扁铁引线、机柜外壳、机架、电缆屏蔽层和铠装层等都连接到机柜内的这一根汇流排上。此种接地方式已不符合相关标准规定, 须按照新标准进行改造。
3.2 整治方案
1) 室内接地。站控室内PLC机柜等仪表自控设备的金属外壳和正常不带电的金属部分, 由于绝缘破坏而有可能带危险电压时, 均应作保护接地。仪表、PLC、计算机系统等, 应作工作接地, 主要包括信号回路接地、屏蔽接地。信号回路接地是仪表、PLC、计算机系统等电子设备需要建立统一的基准电位的需要。屏蔽接地是仪表系统中电缆屏蔽层、排扰线、屏蔽接地端子等用以降低电磁干扰的需要。各仪表设备及元器件按规范要求分别接入工作地汇流排、保护地汇流排、工作地汇总板。浪涌保护器接地接入工作接地汇总板。仪表24V电源负极、电缆屏蔽层等接入工作接地汇流排;PLC柜体、PLC机架等接入工作接地汇总板。2) 接地网。鲁宁线各个站场的接地装置应进行改造, 在摸清站区各种接地装置的情况下, 合理进行接地装置间的连接。控制室所在的建筑物, 应作环绕建筑一周的环形闭合接地装置, 所有进出建筑物的金属管道、电缆桥架、电缆金属保护管, 都要与环形接地装置可靠连接, 新安装的接地体与原接地网可靠连接, 在该环形接地体沿线, 每隔5米距离打垂直接地体并进行水平接地体的连接。
参考文献
[1]许兆宽.输油管道项目后评价特点及需注意的几个问题[J].当代石油石化, 2011.
SCADA系统通信网 篇10
水务行业电气设备需要不间断运行, 使得青年职工平时无法更新调试或用作电气教学培训。引滦工程潮白河管理处新建培训室, 依托培训室先进的自动控制设备, 搭建SCADA系统, 模拟泵站整个自动控制流程, 演练真实泵站中机电设备的全部操作, 以提高青年职工业务水平和知识技能。SCADA系统参照真实泵站架构, 在保留泵站系统功能基础上, 相应完善配套设施, 为适应新技术、新设备和新方法, 系统预留硬件接口及丰富的扩展API以满足日后升级改造需求。培训室SCADA系统包括下位机智能控制系统、上位机HMI系统和通信网络 (图1) 。
二、下位机智能控制系统
下位机智能控制系统主要负责采集SCADA系统中各种输入信息、控制输出设备, 涉及的下位机主要有传感器、电磁阀、电机、PLC和智能仪表, 其中PLC是核心, 通过其实现大部分的数据采集和控制功能。
1. PLC选型
经过多方调研, 管理处最终选用西门子SIMATIC S7-300系列产品。该系列产品配备多种不同性能等级的CPU, 以及为应对不同电气状况而研发的扩展模块, 可根据不同控制环境选择特定功能模块。PLC组件选型见表1。
2. 控制系统设计
培训室内建有1个沙盘, 具备系统控制所需的水泵、压力变送器和电磁阀等设施设备。设备分工: (1) 液位计实时监测前池水位变化; (2) 改变电磁阀开度模拟供水流量变化; (3) 变频器改变频率实现电机软启动; (4) 调节水泵叶片角度控制输水流量范围; (5) 压力变送器实时监测水泵内管道压力; (6) 热电偶实时监测电机及水泵温度; (7) 冷却风机对水泵进行降温处理; (8) 流量计实时监测输水流量。
(1) 下位机智能控制系统属于自动控制系统, PLC、变频器和智能仪表是控制器;液位、压力、风速和流量等是被控对象;低压水泵、电机、电磁阀和冷却风机等是执行结构;液位计、热电偶和压力变送器等是变送器。
(2) 该系统中, 水泵开停控制、电磁阀及风机启闭等顺序控制均属于开环控制;水泵叶片角度的自动调节属于闭环控制, 被控对象为前池水位, 控制器为叶片角度调节装置。
(3) 系统主要是将采集的前池水位作为PID控制指令的输入, 经过分析处理和自整定后作用于水泵叶片角度的调节, 根据前池水位变化自动调节叶片角度。调节器采用PID控制方式。P、I、D参数整定采用工程整定法, 依据经验, 直接在系统上反复调节验证, 方法简单, 易于掌握。在实际调试时, 先设定1个经验值, 然后根据调节效果再进行修正。虽然SIMATIC S7-300系列PLC产品可利用自身闭环控制模块实现PID控制, 但为实际验证不同参数对控制结果的影响, 增加两块具备PID调节功能的宇电AI808智能仪表。
3. PLC控制程序编制
(1) 编程语言选择。培训室选用西门子公司标配STEP7 V5.4编写PLC控制程序。为满足不同自动化任务所需, STEP 7支持Statement List (STL) 、梯形图 (LAD) 和功能块图表 (FBD) 等3种标准化编程语言。考虑到管理处人员实际情况, 编写控制程序主要以梯形图为主。梯形图非常接近于继电器电路, 很容易被熟悉继电器控制的新老职工掌握, 方便、易读且便于调试, 特别适合于数字量逻辑控制。
(2) 程序逻辑设计。为尽可能全面真实模拟水泵设备运行情况, 参照泵站设备实际情况, 自动控制系统设置的正常开机条件[1]有: (1) 油压装置压力正常; (2) 真空破坏阀已关闭; (3) 停机继电器未动作; (4) 低压空气储气罐压力正常; (5) 前池水位达到开机允许水位; (6) 水泵叶片角度为-8°; (7) 同步电机未投励; (8) 机组断路器为闭合状态。
8个开机条件全部设置为数字量输入信号, 当其值全部为1时满足开机条件, 执行正常开机任务, 上位机组态画面显示水泵叶片运转并在沙盘上模拟水体流动。前池水位数据设置为模拟量输入, 沙盘内液位计将实时液位信息以4~20 m A电信号输入至模拟量输入输出模块, 后传输至CPU。水泵叶片角度既为模拟量输入, 也为模拟量输出。培训室PLC控制程序以开停机过程为核心, 主要逻辑流程见图2、图3, 涉及的各种信号量见表2。
三、上位机HMI系统
上位机HMI系统与SCADA系统的数据库及软件相连, 读取设备相关信息, 实时显示各种趋势、诊断数据及相关信息。上位机HMI系统包括硬件和软件两部分。硬件部分主要是触摸屏或通用PC, 软件部分是运行在PC机上的组态软件。组态软件以图形界面形式显示系统整体信息, 并动态模拟系统中的状态变化。
Windows平台下常用组态软件主要有Wonderware公司的Intouch、GE公司的i Fi X、Citect和西门子公司的Win CC。培训室内PLC已选用西门子产品, 组态软件选用对应的Win CC 7.0, 其与SIMATIC S7-300系列PLC在软硬件上无缝集成, 可实现高效率数据传输, 并且能直接使用STEP 7中的符号变量表, 运行时也能直接跳转到STEP 7的功能块, 并可启用STEP 7的硬件诊断功能, 方便故障分析调试。
1. 组态画面设计
培训室SCADA系统组态画面逻辑树见图4。
2. 报表设计
培训室SCADA系统通过PLC采集大量数据, 对数据进行分析后将数据记录分为3类: (1) 周期性记录, 如电压、电流、温度和叶片角度等; (2) 非周期性动作触发记录, 如分合闸状态改变、报警信息等; (3) 动作触发产生的周期记录, 即分合闸或报警后各种电压电流的数值变化信息。最基本和最常用的周期性报表设计样式见图5, 样式设计完毕, 应用Win CC报表系统进行详细设计。Win CC用户归档编辑器可在通用PC上建立数据库连续保存数据, 其图形化的编辑界面可快速组态Win CC归档控件, 以图表等样式显示系统的运行数据。当需要对归档的数据进行访问时, 可以使用Win CC的归档控件或安装Connectivity Pack选件编写脚本程序读取数据。Win CC V7.0用户归档控件可实现工具栏的动态化。例如, 动态化打开控件的组态对话框, 其脚本程序是VBScript:Screen Items (“Control1”) .Toolbar Button Click=2。生成的报表可连接打印机实时或定时打印, 打印内容也定期以CSV文件形式存储, 方便日后查找。
四、通信网络设计
培训室内通信网络分为两部分: (1) 以PROFIBUS总线构建的PLC与PC之间的通信网络; (2) 应用工业以太网技术建立的与管理处内网相连接的OPC服务器。
1. PROFIBUS-DP总线控制系统
西门子公司研发的PROFIBUS (Process Field Bus, 过程现场总线) 是目前应用最广泛的现场总线。在自动控制系统与分布式设备通信时, PROFIBUS-DP在数据的传输速率、整体效率及通信成本等方面具有明显优势。该培训系统PROFIBUS-DP总线组成:SIMATIC S7-300系列PLC中集成PROFIBUS-DP主/从站接口的CPU 315-2DP作为一类DP主站;通用PC作为二类DP主站;系统中各种传感器、电机、电磁阀等作为DP从站。通过西门子公司的PCI卡CP 5611完成作为一类主站的PLC与二类主站通用PC的通信, 其网络拓扑见图6。
2. 工业以太网及OPC服务器
工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet) 的强大区域和单元网络。OPC是一个工业标准, 定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法, 为基于Windows的应用程序和现场过Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。
3.SCADA系统OPC服务架构
(1) 培训室内OPC服务设计思路。硬件部分使用CPU315-2DP完成运行控制, 利用通信模块CP343-1, 使用TCP/IP协议将SIMATIC S7-300接入管理处内部网络, 以现有的网络设备为基础, 将SCADA系统的预留端口接入内网, 从而实现系统整体的远程访问。软件部分使用SIMATIC NET网络通信软件和STEP 7编程软件配置OPC服务, 其中SIMATIC NET软件可为支持OPC服务的非西门子公司的组态软件 (如Intouch、i Fi X、Citect和国内的组态王等) , 提供访问PLC数据信息的API。
(2) 应用OPC服务也能解决系统数据不能被编程语言直接访问的问题。OPC作为自动控制系统数据访问的通用模式, 简单配置即可实现PLC和PC的通信。配置完成后, 使用Visual Basic、Delphi、C#、JAVA等程序设计语言编写客户端程序, 访问PLC及PC内的各种数据, 并通过图形界面, 可视化展现数据。需要指出通信网络中的核心模块CP343-1中仅一个RJ45接口接入管理处内网, 当网络需要进行功能扩展或组件升级时, 可直接连接至空闲的RJ45接口, 以满足系统变更需求, 不必大幅度更改网络拓扑。
五、应用效果
培训室建成后, 超出预想效果, 系统运行稳定, 取得显著经济和社会效益, 主要表现在以下几方面。
(1) 缩短了新职工学习时间, 提高了学习效率。依托培训室的先进设备和SCADA系统, 经历短期业务培训和模拟练习, 新职工即可熟悉泵站日常工作所需理论知识及大部分实践操作技能, 相当于系统建成前学习积累多年的熟练程度, 同时可接待本系统其他单位新职工的培训工作。
(2) 真实泵站发生故障后, 方便技术骨干总结分析故障原因。机组出现故障时, 为影响正常输水工作, 要及时准确排除故障, 基本无暇细致分析故障原因。培训室SCADA仿真系统投用后, 在排除真实泵站的故障后, 可通过培训室内设备进行故障模拟, 探寻故障原因, 研究出多套解决方案, 并详细分析其利弊。日后出现类似故障时, 可更加快速高效解决问题。
(3) 培训室内设备, 尤其是PLC系统, 具有很强的扩展能力, 通过新增功能模块和添加新型科技设备, 拓展原有系统功能, 不断进行科技创新, 构建实验模型, 为日后在真实泵站应用提供有价值的参考。
(4) 培训室内沙盘和水泵模型严格遵循真实泵站比例, 泵站及配套设施设备全貌一览无余。在接待领导及参观人员时, 先在培训室内将泵站整体情况做清晰明确讲解, 再去泵站现场时, 对泵站概况已经有一定认识, 可深入讲解实际泵站的设施设备, 并有针对性地对比讲解不同规模泵站的机电设施设备差异及控制保护系统差距。
潮白河管理处培训室, 成功实现了电气模型复现实际电气控制系统, 填补了水务行业中水泵运行仿真控制系统的空白, 实现了对水泵及配套机电设备整体模拟, 加快了水务工作者的知识更新速度, 全面提高了水务工作者的技能水平, 在华北地区乃至全国都具有很强的前瞻性, 在技术上保持领先地位。
参考文献
SCADA系统通信网 篇11
关键词：SCADA系统,设计原则,方案,特点
1 引言
大庆-铁岭输油管道(简称:庆铁线)是七十年代初建成投产的两条并联的输油干线,直径为7 2 0 m m,长度分别为516km和524km。1994年以来对庆铁线的泵站进行了大规模的改造并同期设计建成了庆铁线S C A D A系统。由于S C A D A系统设备均为上世纪九十年代初的产品,已经不间断运行十四年,加上有些工艺运行参数调整和加入,故障率与维护量很高。2009年又对其进行了改造,改造后仍采用SCADA系统,用可编程逻辑控制系统(PLC)取代原来的远程控制单元(RTU),各站PLC系统完成对本站的数据采集和控制。
庆铁线S C A D A系统是由一个沈阳调度中心,林源-昌图8个站控端,远程微波信道所组成的分布式计算机监控网络系统。
2 设计原则
为保证庆铁线SCADA系统安全、平稳、高效运行,其采用以下设计原则:
2.1 系统容量
系统硬件应具有3 0%以上的扩展余量,以保证系统的灵活性和可扩展性;系统软件预留100%的扩展余量;站控机具有一定的数据存储记忆功能,以便在通信信道中断后恢复时,向沈阳控制室自动传送中断期间的现场数据。
2.2 可靠性
系统能实时监视全线及各站的运行状态,对全部控制设备和信道进行监控,系统能定期进行自诊断并形成报告;系统设备因故障重启动时,应保证首先与现场数据及设备状态进行同步,并且不会对现场设备的状态造成影响;系统中的重要设备进行冗余配置,并以热备用方式运行。当发生故障时,在线系统自动切换成备用系统,自动对系统的相关数据进行备份,同时对故障现象进行记录和报警。
2.3 模块化
系统硬件应具有模块化的特点,如P L C的I/O模板、主机的存贮器、终端、外部设备等,这样有利于系统容量或性能改变时进行扩展和更新。系统软件也应是模块化的,各部分功能在设置时可独立运行,便于今后的修改或与其它外部程序的链接。
2.4 灵活性
在控制中心和各站的任何一个操作员工作站上,都可以完成其所要求的功能。
2.5 可扩展性
系统应允许将来数据库、存储器、软件容量、通信信道等进行扩展。
2.6 可用性
系统的软件和硬件的利用率应达到99.9%,实时采集具有最高优先级,它不会因系统的打印、编程、显示等功能进行而中断。
2.7 开放性
系统数据应以O D B C方式或其它相近的方式,与其它应用程序共享。
2.8 安全性
⑴操作系统的安全:保证操作人员在未经授权的情况下,不会对操作系统造成损害。
⑵应用软件的安全性:应用软件设置不同的级别进行登陆,以保证操作运行时的安全。只有系统管理人员才有权对这些级别的用户和权限进行设置和改变。这些级别应至少有:只读级、操作员级、运行维护级、系统管理员级。
⑶硬件的安全性:应对系统中电源系统、通讯系统、信号系统等进行过电流、过电压保护,并要防止雷击、静电、电磁感应等对系统造成的危害。
⑷对黑客和电脑病毒要进行有效地防范,严格禁止S C A D A系统与I N T E R N E T的连接。
2.9 数据处理能力
控制系统的硬件和软件的数据处理能力,应能满足整条管线控制管理的需要;系统应具有对模拟数据、偏差数据、计算数据、统计数据、报警和事件(按优先级)的有效处理能力。
3 控制方案
3.1 分级控制
庆铁线采用的是集散控制系统,即调度中心的集中控制和各泵站分散控制相结合的控制体系。庆铁线S C A D A系统改造后,由中心控制级、站控机控制级和就地控制级组成。
3.1.1 中心控制
处于中控方式下,采用冗余工作站为网络服务器的调度中心系统,主要完成管道全线的数据采集和监控管理任务,将各站控制系统传送来的数据信息进行处理、分析及存贮,并向各站发送调度及控制命令,同时向大庆、长春和沈阳分公司监视终端传送各自所辖输油站以及廊坊控制中心进行数据交换。
中控监控功能主要体现在如下方面:对各站数据进行实时采集、处理和存储;显示各站动态工艺流程图;显示实时和历史数据趋势图、柱状图及其它画面;对各站现场的工艺变量、全线的工艺设备运行状态进行监视;下达调度和操作命令;报警和事件管理;流程切换;生产报表的生成和打印;控制权限的确定;系统的同步和对时;网络监视和管理;水击超前保护;通信信道故障时主备信道的切换。
3.1.2 站控机控制
站控监控功能与中控监控功能基本相同,它主要体现在如下方面:本站工艺变量、设备状态的检测及数据处理;本站主要工艺设备的控制操作;本站工艺流程的自动控制操作;流程画面的显示;趋势图的显示;工艺参数报警和事件记录;打印生产报表;设备状态检测和故障报警;压力自动保护控制;逻辑控制;水击信号检测和控制;对阴极保护系统的相关变量的检测;对电力设备及其相关变量的监控;与本站其它监控子系统,如:机泵监视系统、变电所自动化系统、热媒炉控制系统、消防自动控制系统等进行数据交换;为沈阳控制室提供有关数据;接受并执行沈阳控制室下达的命令等。
3.1.3 就地控制级
就地控制方式的设置主要是为了方便设备维护。对输油泵机组来讲,每台泵都设置一个“离线(OFF)-手动(HAND)-自动(AUTO)”选择开关,当开关处于“自动”位置时,调度中心或站控室操作员通过控制台控制相应的泵机组,否则该泵机组脱离监控系统的控制。在设备维修过程中现场控制方式能够有效地保证人身安全。
3.2 分层控制
为了进一步提高控制的可靠性,该系统采用多层控制,即第一层不能奏效,第二层继续控制,依次类推。
例如对出站压力保护采用如下控制层次:控制程序自动控制调节阀节流;控制程序自动保护停泵;高压泄压阀自动泄压;出站压力开关动作停泵;泵出口压力开关动作停泵。
3.3 电气保护
一旦计算机或某些仪表出现故障,还设一层电气保护,例如:泵出口压力超高保护。当某管线泵出口压力超高时压力开关动作,导致电气停相应运行泵。
对输油泵的电机还有电气差流、过流、低电压保护。该故障报警信息传输至站控机及调度中心进行报警。
3.4 机械保护
对输油泵机组的轴瓦温度、定子及绕组温度、振动及机械密封参数等采用机泵P L C监控。在站控室仪表盘及站控机、调度中心均可显示报警及停泵信息。
3.5 工艺保护
采用高低压泄压阀及自动压力越站,进行站内管线压力保护。
3.6 水击超前保护控制
水击超前保护控制功能在沈阳调度中心计算机实现。
3.7 对附属系统的控制
对输油工艺设备附属系统采用可靠的仪表电气设备自成系统进行控制。例如:对污油罐液位、温度等控制。
4 设备选型
如图1所示,沈阳调度中心是由三台先进的D E L L390作为调度员工作站,在此工作站上调度员可进行各种控制操作。一台SUN 280R数据服务器、两台交换机和两台主备路由器构成数据采集通信接口。配置两台前置P L C用于生产过程的数据采集及控制。配置了一台EPSON LQ-1600KⅢ针式打印机,用作实时打印事件和报警信息,一台HP100LE激光打印机定时打印生产调度报表。构成以太局域网、数据服务器和主备信道设置,保证了通讯信道的畅通。
站控端采用美国罗克韦尔C O N T R O L O G I X系列PLC控制器,采用两台DELL T3400作为操作员工作站。配置了一台EPSON LQ-1600KⅢH针式打印机,用作实时打印事件、报警信息和定时打印生产调度报表。配置两台交换机和两台主备路由器构成数据采集通信接口。
5 庆铁线SCADA系统的特点
5.1 分布式系统结构
调度中心主机、操作员工作站、通讯服务器、打印机服务器等设备都相互独立,它们之间用以太网构成局域网络。当系统发生意外事件时,由于网络上每个结点都设计为相对独立,可使系统异常的影响减为最小。
调度中心与站控端之间是远程网链接,站控端可以脱离调度中心独立工作。
站控端P L C本身具有分布式结构的特点,主C P U与各块I/O模块相对独立,它们之间采用Ethernet网络进行通讯。站控端P L C与机泵监控器、加热炉系统之间是主从机之间的关系,各自独立工作。
5.2 对关键设备采用冗余结构
调度中心主机、通讯服务器与控制器采用双机热备份全冗余结构;局域网采用冗余配置;远程微波信道采用异群备份的主从热备用信道,由调度中心主机自动进行双信道的自动切换;调度中心UPS采用多台互为冷备用供电方案,为U P S供电的电源采用双电源冷备用供电;站控系统控制设备的CPU及电源采用冗余热备的方式,其局域网和与沈阳控制室进行数据通信的通信接口按冗余热备设置。
5.3 分层控制
为了进一步提高控制的可靠性,实时性。对主要控制设备:加热炉采用分布式控制,加热炉控制器采用美国罗克韦尔C O N T R O L O G I X系列P L C控制器;站控端PLC与各子系统是主从关系,站控端PLC或调度中心只负责对加热炉进行温度给定值的设定以及停炉控制,加热炉控制系统负责将加热炉主要数据传输给PLC,并自成系统完成此加热炉的控制保护功能。
5.4 具有卓越汉字图形功能的系统
它具有卓越的汉字功能运用于实时控制系统中,可以动态缩放及显示,可以用中文显示及打印数据库点名、报警信息、打印报表等极大地方便了调度人员的使用;具有强大的图形编辑功能,操作界面直观、友好。
5.5 具有不同的用户权限
每个操作人员都有自己的口令登陆系统,他的控制权限在一定范围内有效,只有系统管理人员才有权对这些级别的用户和权限进行设置和改变。这些级别为:只读级、操作员级、运行维护级、系统管理员级。
5.6 可靠的远程通信
远程控制的可靠性关键在于远程通信软件及信道。远程通信协议采用成熟可靠的M O D B U S通信协议。MODBUS具有开放性好,功能性强,通讯效率高的特点。远程通信信道采用可靠性比较高的微波信道。
5.7 实时性强
硬件速度和容量等技术指标满足系统实时性要求;操作系统为分时多任务并发系统;远程通信局域网络采用点对点拓扑结构,点对点通信与1:n通信相比可减少远程通信在信道所用时间,提高系统的实时性;对要求实时性强的应用软件,采用C语言进行编制。
6 结束语